再生熱交換器

再生式熱交換器 、またはより一般的には再生器は、高温流体の熱が蓄熱媒体に断続的に蓄えられ、その後低温流体に伝達されるタイプの熱交換器です。これを実現するために、高温流体は蓄熱媒体と接触させられ、その後、流体は熱を吸収する低温流体と置き換えられます。^[1]

再生式熱交換器では、熱交換器の両側の流体は同じ流体である場合があります。流体は外部の処理ステップを通過し、その後、さらに処理するために反対方向に熱交換器内を戻されます。通常、アプリケーションではこのプロセスが周期的または繰り返し使用されます。

蓄熱加熱は産業革命時代に開発された最も重要な技術の一つで、高炉の熱風プロセスで使用されました。^{[2]その後、}ガラス溶解炉や製鉄、平炉の効率向上、高圧ボイラー、化学およびその他の用途で使用され、今日でも重要な役割を果たしています。

最初の再生装置は1816 年にロバート スターリング牧師によって発明され、彼のスターリング エンジンのいくつかの例としても使用されています。ほとんどのモデルを含む最も単純なスターリング エンジンでは、シリンダーの壁とディスプレーサーを基本的な再生装置として使用しており、これはよりシンプルで安価に構築できますが、効率ははるかに低くなります。

その後の応用には、熱風炉として知られる高炉法や、ガラス製造に使用されたシーメンス蓄熱炉とも呼ばれる平炉があり、燃焼による高温の排気ガスが耐火レンガの蓄熱室を通過して加熱されます。その後、流れが逆転し、加熱されたレンガが燃料を予熱します。

エドワード・アルフレッド・カウパーは、 1857年に特許を取得した「カウパーストーブ」の形で、再生原理を高炉に適用しました。 ^[3]これは今日まで高炉でほぼ例外なく使用されています。

再生器は、1 つのプロセス流体から中間固体蓄熱媒体に熱を交換し、その媒体は 2 番目のプロセス流体の流れと熱を交換します。2 つの流れは時間的に分離され、蓄熱媒体を交互に循環するか、空間的に分離され、蓄熱媒体が 2 つの流れの間を移動します。

回転式再生器、または熱ホイールでは、熱貯蔵「マトリックス」はホイールまたはドラムの形をしており、2 つの反対方向に流れる流体の流れの中を連続的に回転します。この方法では、2 つの流れはほぼ分離されています。一度に 1 つの流れだけがマトリックスの各セクションを通過しますが、回転の過程で、両方の流れが最終的にマトリックスのすべてのセクションを連続して通過します。熱貯蔵媒体は、比較的細かい粒子の金属板または金網のセットで、耐性のある合金で作られているか、プロセス流体による化学的な攻撃に耐えるようにコーティングされているか、高温用途ではセラミックで作られています。回転式再生器の各単位容積には、シェル アンド チューブ熱交換器と比較して大きな熱伝達面積を提供できます。再生器マトリックスの各立方フィートには最大 1000 平方フィートの表面積を含めることができますが、シェル アンド チューブ熱交換器の各立方フィートには約 30 平方フィートしかありません。^[4]

回転は温度勾配と流れの方向の両方に垂直であり、それらを通過しないため、マトリックスの各部分はほぼ等温になります。2 つの流体ストリームは逆流します。流体の温度は流れ領域全体で異なりますが、局所的なストリーム温度は時間の関数ではありません。2 つのストリーム間のシールは完全ではないため、相互汚染が発生します。回転式再生器の許容圧力レベルは、熱交換器と比較して比較的低くなっています。

固定マトリックス再生器では、単一の流体流が周期的で可逆的な流れを持ち、「逆流」すると言われています。この再生器は、スターリングエンジンなどのバルブレスシステムの一部である場合があります。別の構成では、流体はバルブを介して異なるマトリックスに交互に運転期間に送られ、その結果、出口温度が時間とともに変化します。たとえば、高炉には耐火レンガで満たされたいくつかの「ストーブ」または「チェッカー」があります。炉からの高温ガスは、レンガが高温に達するまで、たとえば1時間、レンガの壁を通ってダクトで送られます。次にバルブが作動し、冷たい吸入空気をレンガに切り替えて、炉で使用するために熱を回収します。実際の設備では、複数のストーブとバルブの配置があり、「熱い」ストーブと隣接する「冷たい」ストーブの間で徐々に流れを移動し、出口空気温度の変動を減らします。^[5]

別のタイプの再生器は、マイクロスケール再生熱交換器と呼ばれます。これは多層格子構造で、各層は隣接する層からセルの半分だけオフセットされており、セルには流れ軸に垂直な両方の軸に沿って開口部があります。各層は、2 つのサブレイヤーの複合構造で、1 つは熱伝導率の高い材料、もう 1 つは熱伝導率の低い材料です。高温の流体がセルを通過すると、流体からの熱がセル壁に伝達され、そこに蓄えられます。流体の流れが方向を逆転すると、熱はセル壁から流体に戻ります。

3 番目のタイプの再生器は、「ローテミューレ」再生器と呼ばれます。このタイプはディスク形状の固定マトリックスを備え、流体の流れは回転フードを通ってダクトで送られます。ローテミューレ再生器は、発電所の空気予熱器として使用されます。この再生器の熱設計は、他のタイプの再生器と同じです。^{[引用が必要]}

鼻と喉は呼吸中に再生熱交換器として機能します。入ってくる冷たい空気は温められ、暖かい空気として肺に到達します。この温められた空気は、出ていく途中でその熱の多くを鼻腔の側面に戻し、これらの鼻腔は次に入ってくる空気を温める準備が整います。人間を含む一部の動物は、熱交換の表面積を増やすために鼻の中に鼻甲介と呼ばれる骨のシートを巻き上げています。 ^{[引用が必要]}

再生熱交換器は、体積熱容量が高く、縦方向（流れ方向）の熱伝導率が低い材料で作られています。約 20 Kの極低温（非常に低い）では、金属の比熱は低いため、特定の熱負荷に対して再生器はより大きくなければなりません。^{[引用が必要]}

再生器が復熱型（逆流型）熱交換器よりも優れている点は、一定の容積に対して表面積がはるかに大きいため、一定のエネルギー密度、効率、圧力降下に対して交換器の容積が小さくなることです。これにより、同等の復熱器と比較して、再生器は材料と製造の面でより経済的になります。^[要出典]

マトリックス内の高温流体と低温流体を分配するために使用される入口ヘッダーと出口ヘッダーの設計は、逆流再生器の方が再生器よりもはるかに簡単です。その理由は、回転式再生器では両方のストリームが異なるセクションを流れ、固定マトリックス再生器では 1 つの流体が一度に 1 つのマトリックスに出入りするためです。さらに、回転式再生器の高温流体と低温流体のフロー セクターは、流体の圧力降下を最適化するように設計できます。再生器のマトリックス表面はセルフクリーニング特性も備えているため、流体側の汚れや腐食が軽減されます。最後に、表面密度が小さいことや再生器の逆流配置などの特性により、85% を超える効率が求められるガス間熱交換アプリケーションに最適です。熱伝達係数はガスの方が液体よりもはるかに低いため、再生器の表面積が非常に大きいため、熱伝達が大幅に向上します。^{[引用が必要]}

回転式再生器と固定マトリックス再生器の主な欠点は、流体ストリームが常にいくらか混合され、完全に分離できないことです。一方の流体ストリームのわずかな部分がもう一方の流体ストリームに持ち込まれることは避けられません。回転式再生器では、持ち越された流体はラジアルシールとマトリックス内に閉じ込められ、固定マトリックス再生器では、持ち越された流体はマトリックスの空隙容積に残る流体です。このわずかな部分は、次の半サイクルでもう一方のストリームと混合されます。したがって、回転式再生器と固定マトリックス再生器は、2 つの流体ストリームが混合しても問題ない場合にのみ使用されます。混合流は、ガス対ガスの熱および/またはエネルギー転送アプリケーションでは一般的ですが、液体または相変化流体では、液体フローでは流体の汚染が禁止されることが多いため、あまり一般的ではありません。^{[引用が必要]}

再生熱交換器では加熱と冷却が絶えず交互に行われるため、熱交換器の部品に大きな負担がかかり、材料のひび割れや破損を引き起こす可能性があります。^{[引用が必要]}

• 逆流交換
• エコノマイザー
• 熱交換器
• 熱風
• 回復装置
• 淡水化- 一部の熱淡水化プラントでは再生熱交換器が使用される
• サーマルホイールは、加熱された媒体が 2 つのガス流間で連続的に回転する再生熱交換器です。

• Butz, JS Jr. (1962 年 7 月)。「再生によるエンジン経済性」。Flying誌、第 71 巻、第 1 号。pp.  44– 45、89–91。ISSN 0015-4806  。
• ジョン H. グレン研究センター(2006 年 8 月)。「マイクロスケール再生熱交換器」。NASA技術概要。第 30 巻、第 8 号。ISSN  1049-3522。OCLC 102235244  。
• https://books.google.com/books?id=beSXNAZblWQC&pg=PA8&dq=fluid+heat+exchangers&sig=v3NF11puSFyQiUfPV2VbWjOEHik#PPA51,M1